李彪 羅東平

摘要 軌道交通設備設施龐雜，設備維護管理工作難度很大，對維修人員的技能要求也較高。增強現實技術輔助維修人員快速掌握維修相關信息，快速適應原本繁雜的工作，降低工傷風險及對維修人員的專業(yè)技能要求。文章簡述增強現實技術的應用場景，并分析了AR技術在軌道交通設備設施維護方面的優(yōu)勢及不足，并與巡檢機器人、手機App、遠程監(jiān)控設備比較分析。

關鍵詞 增強現實技術;設備維護;優(yōu)勢分析;降本增效

中圖分類號 F272.92文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）08-0007-03

0 引言

隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，各運營單位須對其管轄的各專業(yè)設備設施進行日常巡查、測試和維修，保障設備設施技術狀況的良好和正常運行[1]。但是由于大部分運營單位的設備設施均為分專業(yè)維護，每個維護人員僅了解一個專業(yè)的相關設備，日常巡查、檢修的工作性質單一、工作條件相對惡劣、薪資水平較低，因此運營單位均面臨著招聘難、培養(yǎng)難、專業(yè)整合難的問題，承擔著很高的無效工時的人工成本。

為解決上述問題，實現降低人員成本的目的，各運營單位都在尋求不同的解決辦法。從降低維保作業(yè)難度、規(guī)范作業(yè)標準的維度考慮，增強現實技術（Augmented Reality，簡稱 AR技術）可以將設備的正常狀態(tài)、運行參數的正常范圍等信息實時、定點投射在AR末端屏幕上，輔助維保工作，減少維保人員培訓時間，降低對維保人員的專業(yè)要求，是解決問題的較好思路，值得進一步研究。

1 軌道交通維保工作面臨的困難

（1）軌道交通設備涉及專業(yè)較多，招聘時很難遇到經驗豐富且一專多能的維修人才。如何快速培養(yǎng)具備一定基礎專業(yè)知識和技能的維修人員，令其適應軌道交通行業(yè)工作特點，并快速熟悉設備運行特點，成為各運營單位的首要難題[2]。

（2）由于軌道交通網絡化發(fā)展不是一天建成的，同一個運營單位需要維保不同時代、不同設計理念的多種專業(yè)設備，進一步加大了維修人員對設備的認知、理解難度，也增大了人員培養(yǎng)工作的難度。

（3）軌道交通運營單位的維修部門多以專業(yè)劃分，諸如供電、機電、通號、土建等大專業(yè)，由于各專業(yè)檢修人員知識儲備、技能不同，很難實現跨專業(yè)巡檢[3]。為此每個專業(yè)以5～7個車站為單位，采取雙人小組形式，每個專業(yè)分別組織巡檢維修，乘車、步行時間成為無效工時，但各專業(yè)差異性很大，又很難將多個專業(yè)整合在一起，進行大專業(yè)綜合巡檢，成為降低人工成本的難點[4]。

2 AR技術簡介及應用場景

增強現實技術是一種實時計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像、信息的技術，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。

由于AR技術的顛覆性和革命性，AR技術獲得了大量關注。早在20世紀90年代，就有3D游戲上市，但由于當時的AR技術價格較高，其自身延遲較長，設備計算能力有限等缺陷，導致這些AR游戲產品以失敗收尾，第一次AR熱潮就此消退。隨著隨身電子產品運算能力的提升，增強現實技術的用途越來越廣。一定程度上改變了消費者、企業(yè)與數字世界的互動方式。用戶期望更大程度上從2D轉移到沉浸感更強的3D，從3D獲得新的體驗，包括商業(yè)、體驗店、機器人、虛擬助理、區(qū)域規(guī)劃、監(jiān)控等，人們從只使用語言功能升級到包含視覺在內的全方位體驗。

2.1 AR技術工作原理

AR技術的處理流程是首先通過攝像頭和傳感器將真實世界的圖像信息、用戶位置信息、攝像頭攝像角度信息數據采集，并傳入計算機CPU中，并通過陀螺儀、加速度傳感器、Wi-Fi等定位手段確定用戶位置及攝像頭入射角度信息，計算機對上述信息進行分析和重構，從而得出虛擬場景和真實場景的相對位置，實現坐標系的對齊并進行虛擬場景與現實場景的融合計算，最終通過顯示器、投影設備或智能移動設備將合成影像實時傳遞給用戶。用戶可通過AR頭顯或智能移動設備上的交互配件，如語音、眼動作、加速度傳感器、攝像頭、屏幕等設備采集控制信號，并進行相應的人機交互及信息更新，實現增強現實的交互操作。其中，三維注冊是AR技術之核心，即以現實場景中二維或三維物體為標識物，將虛擬信息與現實場景信息進行對位匹配，即虛擬物體的位置、大小、運動路徑等與現實環(huán)境必須完美匹配，達到虛實相生的地步。

2.2 AR技術的分類

2.2.1 Monitor-based系統(tǒng)

在基于計算機顯示器的AR實現方案中，攝像機接收到現實世界圖像信號后，通過網絡或線路傳遞到計算機中，與計算機合成的虛擬影像重疊在一起，并通過顯示器、投影光線等形式傳遞給用戶。用戶從屏幕上可以看到虛擬影像與現實世界圖像重疊在一起，因此用戶的沉浸感較低，但卻是一套最簡單實用的AR實現方案。

由于這套方案的硬件要求很低，因此被實驗室中的AR系統(tǒng)研究者們大量采用。Monitor-based系統(tǒng)如圖1。

2.2.2 Video See-Through系統(tǒng)

頭盔式顯示器（Head-Mounted Displays-HMD）多以虛擬現實技術形式應用于培訓、娛樂等領域，提供沉浸式體驗。

增強現實技術的研究者們也采用了類似的顯示技術，這就是在AR中廣泛應用的穿透式HMD。

根據具體實現原理又劃分為兩大類，分別是基于視頻合成技術的穿透式HMD（Video See-Through HMD）和基于光學原理的穿透式HMD（Optical See-Through HMD）。Video See-Through系統(tǒng)如圖2。

2.2.3 Optical See-Through系統(tǒng)

在上述的兩套系統(tǒng)方案中，輸入計算機中的有計算機產生的虛擬影像通道和來自攝像頭的真實圖像通道。

而在Optical See-Through HMD實現方案中去除了后者，真實場景的圖像經過一定的調光處理后，將影像直接投影到人眼，虛擬通道的信息經投影反射后再進入人眼，兩者以光學的方法進行合成。Optical See-through系統(tǒng)如圖3。

2.3 AR技術的優(yōu)勢

AR技術結合二維碼技術、無線傳輸技術及室內定位技術，將設備的正常狀態(tài)、設備運行時各項指標正常范圍、往日歷史數據、常用操作指令、巡檢關注點等信息有選擇地投射到AR眼鏡或頭盔上。巡檢維修人員可結合AR眼鏡或頭盔上的信息完成設備檢修、維修工作。

2.3.1 可準確判斷設備運行狀態(tài)

由于AR技術可以客觀、位置準確地將設備正常的運行信息投射在AR眼鏡或頭盔上，可快速準確識別、判斷設備運行狀態(tài)，判斷設備是否運行正常[5]。

2.3.2 借助AR技術可實時協(xié)助維修操作

AR技術可將各個操作規(guī)程、注意事項、操作位置、數據留痕等內容實時標注并投影到維修操作者的視野中。徹底解放維修操作者的雙手并可以將指定通話的語音信息以文字形式投影到操作者的視野中。

AR技術可在維修人員視野范圍內投影必要的標注，以提示維修人員進行相應的操作或警示維修人員不要觸碰某些部件，可實現實時分析判斷維修人員操作是否存在違章風險及其他可預見風險，并發(fā)出警示音或警示符號，降低發(fā)生工傷的概率。

2.3.3 實現多專業(yè)綜合巡檢作業(yè)

AR技術可通過無線網絡連接后臺云數據庫，加載多個專業(yè)的維修信息，可協(xié)助初級維護人員完成多個復雜專業(yè)的日常巡檢、抄錄數據、對比分析、簡單故障處置等工作。維修信息較為客觀準確，巡檢工作只需完成基礎的專業(yè)技能、安全培訓即可完成過去若干專業(yè)完成的巡檢工作。

2.3.4 可降低人員成本

AR技術可將數據、巡檢關注點等信息直接投射在AR眼鏡或頭盔上，相關數據、巡檢關注點等信息還可通過后臺數據庫或云端的不斷迭代更新。過去由于每個人的知識儲備量有限，又無法短時間快速掌握多個專業(yè)設備巡檢要點。在AR技術的協(xié)助下，具備基礎專業(yè)技能的初級維護人員，可完成設備狀態(tài)巡視、抄錄運行數據、目視檢查關注內容等工作，可短時間、快速協(xié)助初級維護人員完成重復性強且系統(tǒng)龐雜的巡檢工作。通過降低工作難度的維度，降低企業(yè)用人的技術等級，從而降低人員成本[6]。

2.4 AR技術應用場景

目前AR技術在軍事上應用較多，主要用于作戰(zhàn)飛機的HUD瞄準具，單兵AR技術也日漸成熟，諸如AR智能眼鏡、AR潛水面鏡等文娛器材也逐漸融入民眾的生活。

目前民用AR技術未來主要服務于安保、維修、生產、醫(yī)療等領域，分別實現遠程技術支持、遠程專家在線溝通、自動識別信息可視化、操作提示信息可視化、語音信息可視化等技術支持功能。通過上述功能，AR技術可作為多職能團隊的支持性單兵設備，保障多職能團隊在遠程專家指導下完成通號、供電、機電、土建等眾多專業(yè)維護、維修、應急工作。

同時站務或乘務人員可實時與公司決策團隊視頻通信，輔助公司決策團隊實時獲取應急響應現場情況，使應急決策更加貼合現場情況。

2.5 AR技術的不足

2.5.1 技術信息錄入量巨大

由于地鐵系統(tǒng)涉及通號、供電、機電、土建等專業(yè)，設備類型千差萬別，同時巡檢信息量將是非常巨大的。目前此類數據均需錄入到后端數據庫或云平臺上，再以二維碼等手段定位，通過AR眼鏡等末端設備讀取數據。

2.5.2 僅能從視覺角度輔助維護人員完成巡檢工作

巡檢工作實際上是通過多個感官角度實現的，類似于中醫(yī)的“望、聞、問、切”。目前AR技術僅能通過視覺提示信息方式協(xié)助維護人員應做什么，注意什么，設備應處于什么狀態(tài)，但AR技術尚不能解決如聲音、氣味等非視覺的感知，此方面需借助必要的檢測儀器或維修經驗來完成。

2.5.3 無法自主觀察、記錄

AR技術目前僅能實時顯示預設的信息，無法自主地去完成巡檢工作，所以僅能起到輔助維護人員更快、更好、更全面地完成巡檢工作。

3 AR技術與其他技術對比

3.1 巡檢機器人技術對比

AR技術輔助維保人員可實現多個專業(yè)的巡檢、維修、測試工作，巡檢機器人可以對配電柜、交直流屏等電氣箱進行自主巡檢但無法處理現場需要主觀判斷的工作，AR技術可通過遠程專家支持，完成各專業(yè)的復雜維修工作，彌補巡檢機器人的不足。

3.2 手機App技術對比

AR技術可將加載信息定點投射在AR末端屏幕上，與真實世界的景象疊加在一起，可以比手機App提供的信息更準確、翔實。同時解放雙手，更專注地完成維修工作，避免頻繁切換視角或操作手機導致錯誤操作甚至人身傷害事故的發(fā)生。

3.3 遠程監(jiān)控對比

AR技術不實時監(jiān)控各類設備運行狀態(tài)和相關參數，但AR技術可將運行狀態(tài)、相關參數的歷史數據、正常范圍等投射在末端設備上，供維護人員參考，輔助維護人員完成檢修、測試、維修等工作。遠程監(jiān)控系統(tǒng)僅遠程監(jiān)測、控制多種設備的運行狀態(tài)、相關參數，但受投資、系統(tǒng)復雜性等條件限制，監(jiān)控系統(tǒng)無法監(jiān)控到全部參數及狀態(tài)。AR技術可以作為遠程監(jiān)控的補充，輔助維修人員完成復雜的維修工作或通過無線網絡將維修記錄、運行記錄提供給維修人員參考，大大降低維修操作成本，此類功能是遠程監(jiān)控無法取代的。

4 結論

AR技術在軌道交通行業(yè)的應用可使維修人員更便捷地完成通信、信號、供電、機電等專業(yè)的巡檢、維護及應急工作，降低維修工作對人員專業(yè)技能的依賴程度，同時為多職能團隊維護眾多專業(yè)設備提供技術支持，提高維修人員工時利用率，從而降低運營單位的維護維修相關的人工成本。同時AR技術仍有諸如大量信息錄入、動態(tài)標識比對分析、提高AR設備三維定位精度等研究難點?；谑覂榷ㄎ患夹g及視頻識別技術有待挖掘，可進一步提高AR技術的適用范圍及使用深度。

參考文獻

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[6]李永菲、勵敏. 城市地鐵設備維修成本管理問題探討[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展， 2018（10）： 177-178.

收稿日期：2022-02-18

作者簡介：李彪（1986—），男，本科，工程師，從事城市軌道交通工程運營維護管理、更新改造、新線接收工作。